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智能天线波束成形自适应算法.doc

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智能天线波束成形自适应算法.doc

1题目智能天线波束成形自适应算法院(系)信息科学与工程学院专业通信工程届别学号姓名xxx指导老师教务处印制2006年5月22日2摘要随着全球通信业务的迅速发展,作为目前通信主要手段的无线移动通信技术已经引起人们极大关注,并取得了一定的成就。无线通信系统对数据速度、覆盖范围和不同系统间的兼容等性能要求越来越高,定向性和抗干扰能力成为天线的主要性能指标,在这种情况下,研究如何进行干扰抑制和减少多径衰落的影响就成为提高无线移动通信系统性能的一个重要课题。随着移动通信卫星通信、雷达等领域系统功能的日趋完善,智能天线系统、多波束天线系统等具有自适应功能的天线的研究和应用正在不断深入,其中,波束形成(BF)技术是自适应天线系统的核心,该技术是基于传统天线波束形成理论跟数字信号处理技术,的在自适应天线系统中有着广阔的应用前景。本文先对智能天线的出现和发展过程做简要的介绍,并与传统的天线进行对比,比较优劣,说明智能天线结构和性能上的优势然后说明了波束赋形的概念,并介绍了MMSE、MAXSNR、LCMV等基本的波束成形算法,然后进一步加入自适应的更新过程,使算法更能满足实际的应用,然后采用RLS算法对智能天线的波束成形进行matlab仿真,在性能上对算法进行测试和分析,然后对比了LMS和RLS算法的不同和优劣,以及各自适用的通信环境。关键词,智能天线波束成形自适应算法LMSRLSAbstractWiththerapiddevelopmentofglobalcommunicationsservices,asthe3currentprimarymeansofcommunicationforwirelessmobilecommunicationstechnologyhasbeencauseforgreatconcern,andhaveachievedsomesuccess.Dataratewirelesscommunicationsystems,coverage,andcompatibilitybetweendifferentsystemssuchasperformancerequirementsarehigh,directionalantennasandantijammingcapabilitytobecomethemajorperformanceindicators,inthiscasetoexaminehowthereductionofinterferencesuppressionandmultifadingofthewirelessmobilecommunicationsystemforenhancingtheperformanceofanimportanttopic.Withthemobilecommunicationssatellitecommunications,radar,andotherareasofsystemfunctionarematuring,smartantennasystems,multibeamantennasystemswithadaptiveantennafunctionsofresearchandapplicationsareconstantlyindepth,which,beamformingBFtechnologyisadaptiveantennasystem,thecoreofthetechnologyisbasedonthetraditionaltheoryofantennabeamformingtechnologywithdigitalsignalprocessing,adaptiveantennasystemsinbroadapplicationprospects.Thisarticlefirstappearedonthesmartantennaandabriefdescriptionofthedevelopmentprocess,andcomparingwiththeconventionalantenna,compareadvantagesanddisadvantagestoillustratethestructureandperformanceofsmartantennaontheedgeandthenexplaintheconceptofbeamforming,andintroducedtheMMSE,MAXSNR,LCMV,andotherbasicbeamformingalgorithm,andthenfurtherbyaddingtheadaptiveupdateprocess,thealgorithmcansatisfypracticalapplication,andthenusingRLSalgorithmforsmartantennabeamformingmatlabsimulation,theperformanceofthealgorithmtestingandanalysis,andthencomparedLMSandRLSalgorithmandtheadvantagesanddisadvantagesofdifferent,andeachapplicationcommunicationenvironment.KEYWORDSSmartAntennaAdaptivealgorithmbeamformingLMSRLS4目录摘要............................................................................................................................2ABSTRACT...................................................................................................................2第一章引言.............................................................................................................41背景介绍..............................................................................................................42智能天线的优势..................................................................................................53智能天线技术的研究和进展..............................................................................64本文研究方向....................................................................................................11第二章自适应天线的基本原理和系统结构.........................................................111.移动信道的特征以及对波束成形的影响........................................................122.关于信号模型....................................................................................................143.数字波束成形系统的结构介绍........................................................................184.两种非盲波束形成算法....................................................................................235.基于参考信号的波束成形(TRB)算法......................................................26第三章LMS和RLS算仿真和分析......................................................................321采用RLS算法仿真以及结果分析...................................................................322仿真比较LMS和RLS两种算法....................................................................36结语..........................................................................................................................38注释..........................................................................................................................39参考文献..................................................................................................................39后记..........................................................................................................................40附录..........................................................................................................................41第一章引言1背景介绍当今世界各国已经广泛将无线通信系统作为重要的通信手段之一,移动5通信用户数目迅速增加。移动通信业务量的迅猛增长和有限的频谱资源的矛盾日益突出,有限的频率资源显的越来越紧张。虽然,通过将通信区域分为小区、频率复用等手段能使系统通信容量得到较大的提高,但是用户数的激增以及用户对通信服务要求的提高,要求移动通信系统能提供更高的数据传输速率和能够提供图像以及语音等多媒体服务,使得这种矛盾更加的突出。影响通信容量增加的一个非常重要的因素是用户之间互相干扰和同一用户的码元之间互相干扰。这类干扰不仅影响了系统容量的进一步提高,同时也限制了用户数据的传输速度。一直以来,人们都没有停止对提高通信容量方法的探索,传统的方法主要有两种在已有小区的基础上进行小区分裂和在基站端使用扇区天线取代全向天线。小区分裂的方法并不能减小系统的干扰,它主要是通过将一个小区分为更小的微小区使得频率能够在一定的区域内得到更多的复用次数。但由这种方法使需要的基站数目变大,使得通信系统的成本增大,同时由于小区覆盖的区域变小使得移动用户在移动过程中时,小区切换得过于频繁导致系统的复杂性增大。在基站端使用扇区天线取代全向天线使得每个天线只对一定的区域接收发射信号,减少了相同复用频率之间的同道干扰,从而可以减少频率复用,提高系统容量,但是缺点也比较明显。由于移动通信信道传输环境都比较恶劣,多径衰落、时延扩展在时、频域造成的各种干扰,会使链路性能、系统容量下降。而实际上有用信号、有用信号时延样本和干扰信号在时、频域存在差异的同时,在空域入射角DOA,DirectionOfArrival也存在差异。而智能天线就是利用空域的相关信息来减少信号干扰的技术。2智能天线的优势智能天线是一种安装在基站现场的双向天线,通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性,并可以同时获取基站和移动台之间各个链路的方向特性。智能天线的原理是将无线电的信号导向具体的方向,产生空间定向波束,使天线主波束对准用户信号到达方向DOADirectionofArrival,旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向,达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干6扰信号的目的。同时,智能天线技术利用各个移动用户间信号空间特征的差异,通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰,使无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。在不增加系统复杂度的情况下,使用智能天线可满足服务质量和网络扩容的需要。由于采用智能天线波束技术,在空间形成定向波束,因而,能够充分利用信道的相关特性,使信号在接收端相干相加,噪声非相干相加,从而提高信道的处理增益。在发射功率相同的情况下,与传统的全向天线相比,由于波束的高增益,智能天线覆盖范围更大,并且由于波束的定向作用,能够有效减少多径衰落的影响,提高通信质量,并能够减少对其他用户的干扰,增加频谱效率和信道容量。3智能天线技术的研究和进展智能天线与传统天线概念有本质的区别,其理论基础是信号统计检测与估计理论、信号处理及最优控制理论,其技术基础是自适应天线和高分辨阵列信号处理。最初的智能天线技术主要用于雷达、声纳、军事抗干扰通信,用来完成空间滤波和定位等功能,提高系统的性能和电子对抗的能力,但由于价格等因素一直未能普及到其它通信领域。自适应天线波束赋形技术在20世纪60年代就开始发展,其研究对象是雷达天线阵,目的是提高雷达的性能和电子对抗的能力。而智能天线真正的发展是在20世纪90年代初,随着移动通信的发展及对移动通信电波传播、组网技术、天线理论等方面的研究逐渐深入,微计算器和数字信号处理技术飞速发展,DSP数字信号处理芯片的处理能力日益提高,利用数字技术在基带形成天线波束成为可能,提高了天线系统的可靠性与灵活程度同时数字芯片的价格已经为现代通信系统所接受,因此,智能天线技术开始用于具有复杂电波传播环境的移动通信。另外,移动通信频谱资源日益紧张,如何消除多址干扰MAI、共信道干扰CCI以及多径衰落的影响、提高频谱效率成为提高移动通信系统性能时要考虑的主要因素。而用现代数字信号处理技术,选择合适的自适应算法,动态形成空间定向波束,使天线阵列方向图主瓣对准用户信号到达方向,7旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向,从而达到充分利用移动用户信号并抵消或最大程度的抑制干扰信号的目的。因此,结合天线阵列与数字信号处理器,就可以动态配置智能天线。智能天线阵列由多个天线单元组成,每一个天线后接一个复数加权器,最后通过相加器合并输出。这种结构的智能天线只能完成空域处理。同时具有空域、时域处理能力的智能天线在结构上相对复杂些,每个天线后接的是一个延时抽头加权网络。自适应或智能的主要含义是指这些加权系数可以根据一定的自适应算法进行自适应更新调整。智能天线阵要解决的基本问题是抗干扰,且提高期望信号的信道增益。抗干扰是指在干扰信号背景下改善期望信号的接收质量,即提高期望信号的处理增益,抑制干扰。而智能天线实现这一点,将不完全依赖于调制技术、信源、信道编码技术以及其他固有的传统技术。智能天线研究的是如何自适应地独立调整天线阵各天线单元的激励系数,智能地改变波束形状而得到空域处理增益从而改善最终的接收。波束赋形的目标是根据系统性能指标,形成对基带(中频)信号的最佳组合或者分配。具体地说,其主要任务是补偿无线传播过程中由空间损耗、多径效应等因素引入的信号衰落与失真,同时降低同信道用户间的干扰。因此,首先需要建立系统模型,描述系统中各处的信号,而后才可能根据系统性能要求,将信号的组合或分配表述为一个数学问题,寻求其最优解。智能天线波束赋形的目标是根据系统性能指标,形成对基带信号的最佳处理。具体说,波束赋形的主要任务就是补偿无线传播过程中由空间损耗和多径效应等引起的信号衰落,同时降低用户间的同信道干扰。智能天线均采用数字方法实现波束赋形,从而可以使软件设计完成自适应算法更新,在不改变系统硬件配置的前提下增加系统的灵活性。波束赋形算法对阵元接收信号进行加权求和处理形成天线波束,波束主瓣对准期望用户方向,而将波束旁瓣或者零陷对准干扰方向。根据波束赋形的不同过程,实现智能天线的方式又分为两种阵元空间处理方式和波束空间处理方式。

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